缓凝剂对混凝土性能的影响研究

（温州市涂吉建筑材料有限公司，浙江 温州 325024）

0 前言

混凝土应用范围广、使用量大，是基础设施建设的关键建筑材料，在铁路工程、水电工程、工民建以及海防工程等领域发挥了巨大作用。现代混凝土的发展以高性能减水剂为依托，通过调节外加剂的组分获得不同状态和应用性能的混凝土，缓凝组分的加入不仅增加了混凝土凝结时间，也为工地高效施工提供了可能。另有研究发现，缓凝剂的加入可以降低大体积混凝土水化热，削减温升值，有利于大体积混凝土裂缝控制[1-3]。目前常用的缓凝剂分为有机缓凝剂和无机缓凝剂，无机缓凝剂以磷酸盐、偏磷酸盐等为主，有机缓凝剂以糖类、糖蜜以及柠檬酸等为主[4]。不同的缓凝剂具有不同的应用特性和对混凝土的性能的影响也会有差异，需要更多试验资料和应用数据支撑，以便更恰当地使用缓凝剂，为调节混凝土的各项性能服务。

本文研究了白糖、葡萄糖酸钠（简称葡钠）及柠檬酸三种典型的缓凝剂，通过调节掺量，研究缓凝剂对混凝土凝结时间、保坍性能的影响，关注缓凝剂用量对混凝土早期和后期强度发展，希望为缓凝剂在混凝土中的应用提供理论和实际参考。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

（1）水泥为海螺 P·O42.5 普通硅酸盐水泥；粉煤灰：Ⅱ级灰，需水比为 98%；矿粉为 S95，比表面积为405m2/kg。水泥的性能指标结果见表 1。

表1 水泥的主要性能指标

（2）外加剂为标准型聚羧酸减水剂，掺量根据实际需要确定，推荐为 2.0% 左右。

（3）所用白糖、葡萄糖酸钠和柠檬酸均为固体，市购，纯度满足试验要求。

（4）试验用中砂为机制砂，细度模数为 3.0，石粉含量 8.0%，MB 值为 1.3；细砂为河砂，细度模数1.2，含泥量 1.0%。石子由大石（10～0mm）和小石（5～10mm）组成，压碎值为 10.0%。

1.2 试验方法

（1）将白糖、葡钠和柠檬酸按照胶凝材料用量的0.02%、0.04%、0.06%、0.08% 称量好，然后加入拌和水中预溶混合，随拌和水一起加入混凝土搅拌。

（2）混凝土凝结时间及保坍性能测试按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行，试验温度为 25℃，湿度为 60%。

（3）掺入缓凝剂后的混凝土抗压强度测试按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行，成型 100mm×100mm×100mm 试块，采用标准养护，测定混凝土指定龄期的抗压强度。

1.3 试验配合比

试验采用 C30 混凝土，配合比及各原材料用量见表2。

表2 混凝土配合比 k g/m3

2 试验结果及讨论

2.1 缓凝剂掺量对混凝土凝结时间的影响

混凝土在浇筑施工过程中，需要混凝土保持一定的塑性，为后续工序开展争取时间，需要混凝土具有一定的凝结时间。白糖、葡钠和柠檬酸对于调节混凝土凝结时间各有特点，对此进行了测试，结果见表 3。

表3 结果显示，不同缓凝剂对混凝土凝结时间调节幅度不一。在同掺量下，白糖的缓凝效果最明显，能够有效提高混凝土初凝和终凝时间，尤其是当缓凝剂掺量为 0.08% 时，混凝土初凝和终凝时间增幅较大，出现较强的缓凝作用。从试验结果看，同掺量下白糖缓凝作用最强，其次是葡钠，最后是柠檬酸。

对于相同缓凝剂，掺量增加，混凝土凝结时间都相应增加，其中加入白糖后混凝土凝结时间反应更为敏感，而加入柠檬酸的混凝土对掺量提高反应相对平缓，增长幅度较小。

几种缓凝剂加入后都能够阻止水泥的早期水化，但作用机理不尽相同。白糖通过溶解后产生的羟基吸附在水泥颗粒表面形成氢键，通过氢键的键合作用在水泥颗粒形成一层水膜，从而抑制了水泥水化[5]。葡萄糖酸钠和柠檬酸类似，通过与水泥水化反应生成的氢氧化钙、水化硅酸钙等矿物生成不稳定的络合物，从而延缓水泥早期水化进程，但这种络合物不稳定，随着水化进行，会逐步分解，对水泥后期水化影响较小[6]。

表3 掺入不同缓凝剂的混凝土凝结时间

2.2 缓凝剂掺量对混凝土保坍性能的影响

适量的缓凝剂加入后混凝土凝结时间延长，水泥水化反应减缓，对于混凝土保持一定的塑性有利，对此，周汉章通过研究发现缓凝剂的加入可以提高混凝土保坍性能[7]。表 4 为加入缓凝剂后混凝土的保坍性能测试结果。

表4 缓凝剂对混凝土保坍性能的影响

表 4 结果显示，白糖和柠檬酸的加入对混凝土初始坍落度和扩展度基本无影响；葡钠掺量提高，混凝土初始坍落度和扩展度有所提高。葡钠本身通过吸附在水泥颗粒表面阻止了水泥水化速率，释放较多的游离水，因此水泥浆体分散作用增强[8]。

缓凝剂掺量提高，混凝土的保坍能力增强，白糖掺量增加，混凝土坍落度经时损失减小，特别是掺量提高至 0.04% 以上时，混凝土塑性得到明显改善。而葡钠和柠檬酸掺量提高，混凝土保坍效果相对较弱，同掺量时柠檬酸经时保坍能力低于葡钠和白糖。

2.3 缓凝剂掺量对混凝土抗压强度的影响

缓凝剂的加入既要维持混凝土具有一定的塑性，凝结时间延长，同时也要防止出现缓凝时间过长，或假凝、闪凝等不正常凝结现象的出现，以免对混凝土强度造成不良影响。测试了缓凝剂对混凝土抗压强度的影响，结果见表 5、图 1。

表5 缓凝剂掺量对混凝土抗压强度的影响

图1 不同缓凝剂对混凝土抗压强度的影响

表5 和图 1 结果表明缓凝剂的加入对混凝土 3d 和7d 强度造成影响，尤其是随白糖和柠檬酸掺量增加，混凝土 3d 抗压强度总体下降明显；葡钠对混凝土 3d 强度影响较大，7d 抗压强度在掺量低于 0.06% 时甚至略高于空白组。

随着水泥水化的进行，吸附在水泥颗粒表面的缓凝剂分子形成的能垒被突破，水化产物得以均匀分布并提供胶结能力[9]，从而使得混凝土 28d 和 60d 强度得以增长，同时研究[1]发现缓凝剂能够削减水泥放热峰值，对于控制混凝土温升值及减少混凝土内部缺陷有利。

对于三种缓凝剂，葡钠对混凝土早期强度影响较小，后期抗压强度增长较好，在混凝土凝结时间较长时60d 抗压强度发展良好。

3 结论

（1）不同缓凝剂对混凝土凝结时间的影响大小不同。在同掺量下，白糖的缓凝效果最明显，其次是葡钠，最后是柠檬酸。且混凝土凝结时间在白糖掺量提高时反应较为敏感，柠檬酸的敏感度最低。

（2）缓凝剂的加入有利于改善混凝土工作性能，葡钠掺量提高时混凝土初始流动性改善，但白糖对混凝土保坍能力改善更为明显，同掺量时柠檬酸经时保坍能力低于葡钠和白糖。

（3）缓凝剂对混凝土早期强度影响较大，白糖和柠檬酸加入后混凝土 3d 和 7d 强度增长乏力，甚至有所下降，葡钠对混凝土 3d 强度影响相对较大，7d 强度影响较小。随着水泥水化的进行，加入缓凝剂的混凝土28d 和 60d 强度增长较快，且凝结时间较长的混凝土后期强度依然可以得到弥补，掺葡钠的混凝土后期强度增长占优。